Математические заметки
RUS  ENG    ЖУРНАЛЫ   ПЕРСОНАЛИИ   ОРГАНИЗАЦИИ   КОНФЕРЕНЦИИ   СЕМИНАРЫ   ВИДЕОТЕКА   ПАКЕТ AMSBIB  
Общая информация
Последний выпуск
Скоро в журнале
Архив
Импакт-фактор
Правила для авторов
Лицензионный договор
Загрузить рукопись

Поиск публикаций
Поиск ссылок

RSS
Последний выпуск
Текущие выпуски
Архивные выпуски
Что такое RSS



Матем. заметки:
Год:
Том:
Выпуск:
Страница:
Найти






Персональный вход:
Логин:
Пароль:
Запомнить пароль
Войти
Забыли пароль?
Регистрация


Математические заметки, 2024, том 116, выпуск 3, страницы 388–395
DOI: https://doi.org/10.4213/mzm14415
(Mi mzm14415)
 

Равномерные формулы для асимптотического решения в окрестности переднего фронта для системы Максвелла с локализованными начальными данными и с учетом временной дисперсии

С. Ю. Доброхотов, А. А. Толченников

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского Российской академии наук, г. Москва
Список литературы:
Аннотация: Рассматривается система уравнений Максвелла с временной дисперсией и локализованным начальным условием. При помощи канонического оператора Маслова строится равномерная асимптотика, выражающаяся через производную функции Эйри сложного аргумента, в окрестности регулярных точек переднего фронта волны.
Библиография: 10 названий.
Ключевые слова: система уравнений Максвелла, локализованные начальные условия, канонический оператор Маслова.
Финансовая поддержка Номер гранта
Российский научный фонд 21-11-00341
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-11-00341, https://rscf.ru/project/21-11-00341/.
Поступило: 05.12.2023
Исправленный вариант: 10.04.2024
Дата публикации: 06.09.2024
Англоязычная версия:
Mathematical Notes, 2024, Volume 116, Issue 3, Pages 458–464
DOI: https://doi.org/10.1134/S0001434624090062
Реферативные базы данных:
Тип публикации: Статья
УДК: 517.928

1. Постановка задачи. Система уравнений Максвелла

Рассмотрим уравнения Максвелла [1], [2] в неоднородной среде и с временной дисперсией. Для трехмерного вектора $\psi(x,t)$ имеем уравнение (везде далее считаем, что оператор $\widehat p$ действует первым, а оператор умножения на $x$ действует вторым)

$$ \begin{equation} \widehat p\times \widehat p\times \psi+ F(x, \widehat p,\widehat \omega)\psi=0. \end{equation} \tag{1} $$
В этой статье будем рассматривать $F$ специального вида: $F(x,p,\omega)=g^2(\omega)/c^2(x)$. Пусть начальные условия имеют вид
$$ \begin{equation*} \psi|_{t=0}=V\biggl(\frac{x}{h}\biggr),\qquad \frac{\partial}{\partial t}\psi\bigg|_{t=0}=0. \end{equation*} \notag $$
Здесь описывающий неоднородность среды коэффициент $c(x)$ предполагается гладкой положительной функцией; $h\ll 1$ – малый параметр, характеризующий локализацию начальных условий. Функцию $V(y)$ мы считаем вещественной, гладкой и убывающей при $|y|\to +\infty$ вместе со своими производными быстрее любой степени $|y|^k$. В стандартных обозначениях
$$ \begin{equation*} \widehat{\omega}=-ih\,\frac{\partial}{\partial t}\,,\qquad \widehat{p}=-ih\nabla. \end{equation*} \notag $$

Пусть функция $g(w)$, дающая временную дисперсию, удовлетворяет следующим условиям (как и в статье [3]): это гладкая, нечетная, монотонная функция, растущая на бесконечности не быстрее полинома, $g(w)\to \infty$ при $w\to \infty$. Пусть при малых $w$:

$$ \begin{equation*} g(\omega)=\omega+\frac{g_3}{6}\omega^3+ O(\omega^5), \qquad\text{где}\quad g_3 > 0. \end{equation*} \notag $$
Также считаем, что $g''(w)\ne 0$ при $w\ne 0$ и $g'(w) \geqslant 1$.

Подобная задача для волнового скалярного уравнения уже рассматривалась в статье [3] и мы будем пользоваться основными конструкциями из этой статьи.

Локализованные начальные функции можно представить в виде канонического оператора Маслова [4], [5] и применить соответствующую теорию для построения асимптотики решения соответствующих задач [6], [7].

Определим передний фронт. Для этого рассмотрим решение $X^0(t,\theta)$, $P^0(t,\theta)$ системы Гамильтона с гамильтонианом $H(x,p)=c(x)|p|$:

$$ \begin{equation*} \begin{cases} \dot x=c(x) \dfrac{p}{|p|}\,, & x|_{t=0}=0, \\ \dot p=-\nabla_x c(x) |p|, & p|_{t=0}=n(\theta)=\begin{pmatrix} \cos \theta_2 \cos \theta_1 \\ \cos \theta_2 \sin \theta_1 \\ \sin \theta_2 \end{pmatrix} \end{cases} \end{equation*} \notag $$
($\theta=(\theta_1,\theta_2)$ – долгота и широта на сфере единичных импульсов). Передним фронтом будем называть поверхность $\gamma_t=\{x=X^0(t,\theta),n(\theta) \in S^2\}$.

Мы построим асимптотику решения в окрестности (не зависящей от параметра $h$) переднего фронта следующим методом (аналогичным [3], [8]). Сначала, с помощью функции Эйри, строится асимптотика в некоторой малой окрестности (зависящей от $h$) переднего фронта, а затем эта асимптотика склеивается с асимптотикой вида ВКБ вне этой малой окрестности, что и приводит к асимптотике в достаточно большой окрестности переднего фронта. Такую асимптотику мы называем равномерной.

2. Построение асимптотического решения

Сначала сведем задачу к двум более простым, перейдя в базис из собственных векторов матрично-значного символа уравнения.

Матрично-значный символ оператора в левой части (1) имеет вид

$$ \begin{equation*} \mathcal{H}(x,p)=\begin{pmatrix} -p_2^2 - p_3^2 & p_1 p_2 & p_1 p_3 \\ p_1 p_2 & -p_1^2 - p_3^2 & p_2 p_3 \\ p_1 p_3 & p_2 p_3 & -p_1^2 -p_2^2 \end{pmatrix}+F(x,p,\omega)\mathbf{E}_3, \end{equation*} \notag $$
где $\mathbf{E}_3$ – $3\times 3$ единичная матрица. У матрицы $\mathcal{H}$ два различных собственных значения (“эффективных гамильтонианов”): $H^1$ и $H^2$. Собственному значению $H^1(x,p,w)=F(x,p,w)$ (кратности 1) отвечает собственный вектор
$$ \begin{equation*} \xi^1(p)=\frac{1}{|p|}\begin{pmatrix} p_1 \\ p_2 \\ p_3 \end{pmatrix}. \end{equation*} \notag $$
Собственному значению $H^2(x,p,w)=F(x,p,\omega)-|p|^2$ (не зависящей от $x$, $p$, $\omega$ кратности 2) отвечают два ортогональных собственных вектора $\xi^2(p)$, $\xi^3(p)$. Например, можно выбрать
$$ \begin{equation*} \xi^2(p)=\frac{1}{\sqrt{p_2^2+p_3^2}} \begin{pmatrix} -p_3 \\ 0\\ p_1 \end{pmatrix},\qquad \xi^3(p)=\frac{1}{\sqrt{p_1^2 p_2^2+(p_1^2+p_3^2)^2+p_2^2 p_3^2}} \begin{pmatrix} p_1 p_2 \\ -p_1^2 - p_3^2 \\ p_2 p_3 \end{pmatrix}. \end{equation*} \notag $$
Согласно общему подходу [9] и представленному в [10] его операторному варианту главный член асимптотического решения представляются в виде
$$ \begin{equation} \psi=\widehat{\chi^1}\varphi^1+\widehat{\chi^2}\varphi^2, \end{equation} \tag{2} $$
где символы операторов имеют разложение $\chi^m=\chi^m_0+h\chi^m_1+O(h^2)$ ($m=1,2$), $\chi^1_0=\xi^1(p)$ трехмерный вектор столбец, $\chi^2_0=(\xi^2(p),\xi^3(p))$ – $3\times 2$ матрица, $\varphi^1(x,t)$ – скалярная функция, а $\varphi^2(x,t)$ – двумерная вектор-функция с двумя компонентами $\varphi^2_1(x,t)$, $\varphi^2_2(x,t)$. Функции $\varphi^1(x,t)$, $\varphi^2(x,t)$ определяются как асимптотические решения скалярного и векторного (редуцированных) уравнений (приведем его в общем виде)
$$ \begin{equation} \begin{gathered} \, L^m(x,t,\widehat p,\widehat w,h)\varphi^m=0, \qquad L^m(x,t,p,w,h)=L_0^m(x,t,p,w)+hL_1^m(x,t,p,w)+O(h^2), \\ L_0^m=H^m(x,t,p,w)\mathbf{E}. \end{gathered} \end{equation} \tag{3} $$
Здесь $\mathbf{E}$ единичная матрица, размер которой равен кратности значения $H^m(x,t,p,\omega)$ и
$$ \begin{equation} \begin{gathered} \, L_1^m=(\chi^m_0)^\top\mathcal{H}_1\chi^m_0-i(\chi^m_0)^\top\sum_{j=0}^3 \biggl(\frac{\partial{\mathcal{H}_0}}{\partial p_j}\, \frac{\partial \chi^m_0}{\partial x_j}- \frac{\partial H^m}{\partial x_j}\, \frac{\partial \chi^m_0}{\partial p_j}\biggr), \qquad p_0=\omega,\quad x_0=t. \end{gathered} \end{equation} \tag{4} $$
Последнюю формулу мы также приводим в общем виде, добавив в нее возможную поправку $\mathcal{ H}_1$ по $h$ к символу исходного уравнения ($\mathcal{H}=\mathcal{H}_0+h \mathcal{H}_1+O(h^2)$). В рассматриваемом случае $\mathcal{H}_1=0$, $\partial \chi^m_0/\partial x_j=0$ и мы имеем
$$ \begin{equation} L_1^m=i(\chi^m_0)^\top\sum_{j=0}^3\frac{\partial H^m}{\partial x_j}\, \frac{\partial \chi^m_0}{\partial p_j}\,. \end{equation} \tag{5} $$

2.1. Случай $m=2$. Поперечная быстрая мода

Имеем

$$ \begin{equation*} L_1^2 (x,p,w)= i g^2(w) \begin{pmatrix} 0 & \alpha(x,p) \\ -\alpha(x,p) & 0 \end{pmatrix}, \qquad \alpha(x,p)= \langle \xi^2, \nabla_p \xi^3 \cdot \nabla_x c^{-2}(x) \rangle. \end{equation*} \notag $$

Умножив уравнение $\widehat{L^2}\varphi^2=0$ на $-c^2(x)$, получим

$$ \begin{equation*} -g^2(\widehat w) \varphi^2+ \bigl[c^2(x)|\widehat p|^2-h c^2(x)\widehat{L_1^2}+\dotsb\bigr]\varphi^2=0. \end{equation*} \notag $$
Формально представим оператор в квадратных скобках в виде квадрата: $(Q(\widehat{x},\widehat{p}))^2$. Символ оператора $\widehat{Q}$ имеет разложение $Q(x,p)=Q_0(x,p)+h Q_1(x,p)+O(h^2)$, где $Q_0(x,p)=c(x)|p|E_2$,
$$ \begin{equation*} Q_1(x,p)=\frac{i}{2} \biggl(\biggl\langle\frac{p}{|p|}\,,\nabla_x c(x)\biggr\rangle E_2- \frac{c(x)g^2(w)}{|p|}\begin{pmatrix} 0 & \alpha(x,p) \\ -\alpha(x,p) & 0 \end{pmatrix}\biggr). \end{equation*} \notag $$

В итоге, уравнение $\widehat{L^2}\varphi^2=0$ представилось в виде $\widehat{R^-}\widehat{R^+}\varphi^2=0$, где $\widehat{R^\pm}=g(\widehat{w}) \pm \widehat{Q}$.

Построим асимптотическое решение в виде $\varphi^2(x,t)=u^+(x,t)+u^-(x,t)$, где $u^\pm$ – решение задач $\widehat{R^\pm} u^\pm (x,t)=0$, $u^\pm(x,0)=u_0^\pm(x)$ с некоторым $u_0^\pm$, которое определим позже.

Рассмотрим задачу со знаком плюс. Решение будем строить в виде канонического оператора Маслова на 4-мерном лагранжевом многообразии $\Lambda^+ \subset \mathbb{R}^8_{x,t,p,w}$, инвариантном относительно гамильтонова векторного поля с гамильтонианом $d(x,t,p,w)=g(w)+c(x)|p|$: $u^+=K^h_{\Lambda^+}A^+$. $\Lambda^+$ построим, выпуская траектории системы Гамильтона

$$ \begin{equation*} \begin{cases} \dot X=\dfrac{\partial d}{\partial p}=\dfrac{c(x) p}{|p|}\,, \\ \dot T=\dfrac{\partial d}{\partial w}=g'(w), \\ \dot P=-\dfrac{\partial d}{\partial x}=-\nabla_x c(x)|p|, \\ \dot W=-\dfrac{\partial b}{\partial t}=0 \end{cases} \end{equation*} \notag $$
из трехмерного изотропного многообразия
$$ \begin{equation*} \Lambda_0^+=\biggl\{x =0,\ t=0,\ p=-\dfrac{g(w)}{c_0} n(\theta),\ w=w\colon w<0,\ n(\theta) \in S^2\biggr\}, \end{equation*} \notag $$
где $c_0=c(0)$. Получаем $\Lambda_+$:
$$ \begin{equation*} \begin{cases} X=X^0(\tau,\theta), \\ T=\tau g'(w), \\ P=-\dfrac{g(w)}{c_0}P^0(\tau,\theta), \\ W=w, \end{cases} \end{equation*} \notag $$
где $X^0(\tau,\theta)$, $P^0(\tau,\theta)$ – решение системы Гамильтона
$$ \begin{equation*} \begin{cases} \dot x=\dfrac{c(x)p}{|p|}\,, \\ \dot p=-\nabla_x c(x) |p| \end{cases} \end{equation*} \notag $$
с начальным условием $x|_{\tau=0}=0$, $p|_{\tau=0}=n(\theta)$.

Выберем на $\Lambda^+$ начальную точку $\alpha_0=\{\tau=0^-,\ \theta=(0,0),\ w=0^-\}$ и инвариантную относительно гамильтонового векторного поля форму объема

$$ \begin{equation*} d\mu^+=\mu^+(\theta,w)\,d\tau \wedge d\theta_1\wedge d\theta_2 \wedge dw,\qquad \mu^+(\theta,w)=(g(w) g'(w))^2\frac{\cos\theta_2}{c_0^3}\,. \end{equation*} \notag $$

2.1.1. Амплитуда и параллельный перенос

Определим амплитуду $A^+(\tau,\theta,w)$ (столбец $2\times 1$) на многообразии $\Lambda^+$. Она удовлетворяет начальному условию

$$ \begin{equation*} A^+(0,\theta,w)=\frac{1}{2}e^{i\pi/4} h^{3/2} [\chi^2(n(\theta))]^\top \widetilde V \biggl(-\frac{g(w)}{c_0} n(\theta)\biggr) \end{equation*} \notag $$
(это координаты проекции $\widetilde V(p)$ на двумерное собственное подпространство $\langle\xi^2,\xi^3\rangle$ при $p=P(0,\theta,w)$) и дифференциальному уравнению первого порядка:
$$ \begin{equation*} (A^+)'_\tau=\biggl(\frac{1}{2}\operatorname{tr}d''_{xp}- i Q_1\biggr)\bigg|_{x=X(\tau,w,\theta),\ p=P(\tau,w,\theta)}A^+, \end{equation*} \notag $$
где
$$ \begin{equation} \frac{1}{2}\operatorname{tr}d''_{xp}-i Q_1= \biggl\langle\nabla c(x),\frac{p}{|p|}\biggr\rangle- \frac{c(x)g^2(w)}{2|p|} \begin{pmatrix} 0 & \alpha (x,p) \\ -\alpha (x,p) & 0 \end{pmatrix}. \end{equation} \tag{6} $$
Но вдоль траектории системы Гамильтона
$$ \begin{equation*} \begin{gathered} \, \biggl\langle \nabla c(x), \frac{p}{|p|}\biggr\rangle\bigg|_{x=X(\tau,\theta,w),\ p=X(\tau,\theta,w)}= \biggl(\ln\frac{1}{|P(\tau,\theta,w)|}\biggr)'_\tau, \\ \alpha\bigl(X(\tau,\theta,w),P(\tau,\theta,w)\bigr)= \bigl\langle \xi^2(P(\tau,\theta,w)), (\xi^3(P(\tau,\theta,w))'_\tau \bigr\rangle. \end{gathered} \end{equation*} \notag $$
Уравнение на амплитуду будет иметь вид
$$ \begin{equation*} (A^+)'_\tau= \biggl(\biggl(\ln\frac{1}{|P(\tau,\theta,w)|}\biggr)'_\tau- \Sigma^\top(\tau,\theta,w)(\Sigma(\tau,\theta,w))'_\tau\biggr)A^+, \end{equation*} \notag $$
где $\Sigma(\tau,\theta,w)= (\xi^2(P(\tau,\theta,w)),\xi^3(P(\tau,\theta,w)))$ (матрица $3\times 2$ из собственных векторов матричного символа $\mathcal{H}$, взятых вдоль траектории системы Гамильтона). Обозначив $\widetilde A^+(\tau,\theta,w)= |P(\tau,\theta,w)| A^+(\tau,\theta,w)$, получим уравнение $(\widetilde A^+)'_\tau=-\Sigma^\top(\Sigma)'_\tau\widetilde A^+$, которое равносильно уравнению $(\Sigma \widetilde A)'_\tau \perp N(\tau,\theta)$, где $N(\tau,\theta)= \langle\xi^2(p),\xi^3(p)\rangle|_{p=P(\tau,\theta,w)}$ – двумерная плоскость, ортогональная лучу $X^0(\tau,\theta)$. Таким образом, мы имеем дело с геометрическим уравнением параллельного переноса вдоль луча.

Введем обозначения для оператора Коши, сопоставляющего начальному условию решение уравнения переноса. Обозначим $\widetilde{PT}(\tau,\theta)$ – линейный оператор Коши, сопоставляющий начальному условию $v_0 \in N(0,\theta)$ решение $v(\tau) \in N(\tau,\theta)$ уравнения переноса $(|P^0(\tau,\theta)| v(\tau))'_\tau \perp N(\tau,\theta)$. Аналогично обозначим $PT(\tau,\theta)$ – линейный оператор Коши, сопоставляющий начальному условию $u_0 \in N(0,\theta)$ решение $u(\tau) \in N(\tau,\theta)$ уравнения переноса $( u(\tau))'_\tau \perp N(\tau,\theta)$.

Эти линейные отображения связаны простым соотношением

$$ \begin{equation*} \widetilde{PT}(\tau,\theta)= \frac{|P^0(0,\theta)|}{|P^0(\tau,\theta)|}PT(\tau,\theta). \end{equation*} \notag $$
Тогда
$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, \chi^2(p)|_{\Lambda^+} A^+(\tau,\theta,w)&= \widetilde{PT}(\tau,\theta)\biggl[\Pi_{N(0,\theta)} \widetilde V\biggl(-\frac{g(w)}{c_0} n(\theta)\biggr)\biggr] \\ &=\frac{c(X^0(\tau,\theta))}{c_0} PT(\tau,\theta) \biggl[\Pi_{N(0,\theta)} \widetilde V\biggl(-\frac{g(w)}{c_0} n(\theta)\biggr)\biggr], \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
где $\Pi_L$ – оператор ортогональной проекции на пространство $L$.

Отображение $PT$ не зависит от выбора базиса в пространстве $N(\tau,\theta)$ и если луч $X^0(\tau,\theta)$ бирегулярный, то можно в качестве базиса в $N(\tau,\theta)$ взять вектора главной нормали $\nu(\tau,\theta)$ и бинормали $\beta(\tau,\theta)$. Поскольку

$$ \begin{equation*} \begin{gathered} \, \begin{cases} \dfrac{d X}{ds}=\dfrac{P}{|P|}\,, \\ \dfrac{d P}{ds}=-\nabla \ln c(X)|P|, \end{cases} \\ \frac{d^2 X}{ds^2}=-\nabla \ln c(X)+\frac{P}{|P|} \biggl(\frac{P}{|P|}\,,\nabla \ln c(X) \biggr)= \Pi_{P^\perp}(-\nabla \ln c(X)), \end{gathered} \end{equation*} \notag $$
репер Френе $(v,\nu,\beta)$ будет записываться в виде
$$ \begin{equation*} v=\frac{P}{|P|}\,, \qquad \nu=\frac{-\nabla \ln c(X)+v (v, \nabla c(X))} {\|-\nabla \ln c(X)+v (v, \nabla c(X))\|}\,, \qquad \beta=\frac{-\nabla \ln c(X) \times P} {\|\nabla \ln c(X) \times P \|}\,. \end{equation*} \notag $$
Тогда в матричном виде можно записать $PT(\tau,\theta)v_0= \Omega(\tau,\theta)G(\tau,\theta)\Omega^\top(0,\theta)v_0$, где матрица $\Omega(\tau,\theta)=(\nu(\tau,\theta),\beta(\tau,\theta))$, а $G(\tau,\theta)$ – матрица Коши для системы
$$ \begin{equation*} \frac{d A}{d\tau}=-\Omega^\top(\tau,\theta)\Omega(\tau,\theta)'_\tau A =c(X^0(\tau,\theta))\begin{pmatrix} 0 & \varkappa(\tau,\theta) \\ -\varkappa(\tau,\theta) & \end{pmatrix} A. \end{equation*} \notag $$
Здесь $\varkappa (\tau,\theta)$ – кручение луча $X^0(\tau(s),\theta)$, $s$ – натуральный параметр,
$$ \begin{equation*} s(\tau)=\int_0^\tau c(X^0(\tau,\theta))\,d\tau. \end{equation*} \notag $$

Аналогично строится лагранжево многообразие $\Lambda^-$ и амплитуда $A^-$ на нем.

2.2. Случай $m=1$. Медленная продольная мода

В этом случае аналогично строится асимптотическое решение и при построении лагранжева многообразия надо сдвигать $\Lambda_0$ вдоль траекторий системы Гамильтона с гамильтонианом $g(w)$. Поскольку он не зависит от $p$, то $\dot x=0$ и лагранжево многообразие будет проецироваться в $x=0$ и решение во все времена останется локализованным в окрестности $x=0$ и не будет давать вклад в дальнее от источника поле.

Таким образом, вдали от источника старшая часть асимптотического решения будет иметь вид

$$ \begin{equation*} \psi_{\mathrm{as}}(x,t)=K^h_{\Lambda^+} \chi^2_0(p)|_{\Lambda^+} A^++ K^h_{\Lambda^-} \chi^2_0(p)|_{\Lambda^-} A^-. \end{equation*} \notag $$
Далее, используя алгоритм [7], можно в окрестности фронта записать $\psi_{\mathrm{as}}$ через функцию Эйри, вне окрестности фронта записать в виде ВКБ-функции и, используя асимптотики функции Эйри, склеить эти две формулы в одну.

3. Равномерная асимптотика в окрестности регулярных точек переднего фронта. Основная теорема

Зафиксируем момент времени $t>0$ и рассмотрим точку $P=X^0(t,\theta^0)$ фронта $\gamma_t$ такую, что, во-первых, $|X^0_{\theta_1}\times X^0_{\theta_2}|/ \cos\theta_2|_{\theta=\theta^0}\ne 0$, а, во-вторых, на замыкании $\Lambda^+$ есть только один прообраз точки $P$ при проецировании на конфигурационное пространство.

В окрестности регулярной точки фронта можно ввести координаты $d$, $\theta_1$, $\theta_2$, где $d$ – расстояние по нормали к фронту ($d<0$ внутри фронта, $d>0$ вне фронта $\gamma_t$). Внешняя нормаль к фронту $N_{\mathrm{out}}={P^0(t,\theta)}/{|P^0(t,\theta)|}$. Внутри фронта можно на многообразии $\Lambda^+$ выразить координату $w$ через $d$, $\theta$:

$$ \begin{equation*} \begin{gathered} \, d=\langle x-X^0(t,\theta),N_{\mathrm{out}}\rangle= -\frac{1}{2} g_3 t w^2 c(X^0(t,\theta))+O(w^4), \\ w^+(\theta,d)= -\biggl(-\frac{2d}{g_3 t c(X^0(t,\theta))}\biggr)^{1/2}+O(d^{3/2}). \end{gathered} \end{equation*} \notag $$
Таким образом $(w^+(x))^2$ можно продолжить гладким образом за фронт (с любой заданной гладкостью).

Можно выразить действие $\Phi^+=t(w-g(w)/g'(w))$ на $\Lambda^+$ как функцию от $(d,\theta)$:

$$ \begin{equation*} \Phi^+(d,\theta)=\frac{t g_3}{3}(w^+)^3+O((w^+)^5)= -\frac{2^{3/2}}{3(tg_3)^{1/2}(c(X^0(t,\theta)))^{3/2}} (-d)^{3/2}+O(d^{5/2}). \end{equation*} \notag $$
Функцию $(\Phi^+)^{2/3}$ можно с любой гладкостью продолжить за фронт и определить
$$ \begin{equation*} \Psi^+(d,\theta)=\begin{cases} \biggl(-\dfrac{3t}{2}\biggl(w- \dfrac{g(w)}{g'(w)}\biggr)\biggr)^{2/3}\bigg|_{w=w^+(d,\theta)} & \text{при}\ d\leqslant 0, \\ -d\biggl(\dfrac{1}{2}t g_3 c^3(X^0(t,\theta))\biggr)^{-1/3}+ O(d^2) &\text{при}\ d\geqslant 0. \end{cases} \end{equation*} \notag $$

Сформулируем основной результат.

Теорема 1. В окрестности точки $P$ старший член асимптотического решения задачи (1) имеет вид

$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, \psi_{\mathrm{as}}(d,\theta)&=-\frac{ih^{5/3}}{2\sqrt{\pi}}e^{-i\pi n/2} F\biggl(-\frac{\Psi^+(d,\theta)}{h^{2/3}}\biggr) U^+(d,\theta) \\ &\qquad+\frac{i h^{5/3}}{2\sqrt{\pi}} e^{i\pi n/2}\overline{F} \biggl(-\frac{\Psi^+(d,\theta)}{h^{2/3}}\biggr)U^-(d,\theta), \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
где $n$ – число фокальных точек на луче $X^0(t',\theta)$ при $t'\in (0,t)$,
$$ \begin{equation*} \begin{gathered} \, U^\pm(d,\theta)=\begin{cases} (\Psi^+)^{-1/4}\biggl(\dfrac{g^2(w)(g'(w))^2 c(X^0(\tau,\theta)) \cos\theta_2}{c_0^5\tau g''(w)|X^0_{\theta_1}(\tau,\theta)\times X^0_{\theta_2}(\tau,\theta)|}\biggr)^{1/2}& \\ \qquad \times PT(\tau,\theta) \biggl[\Pi_{N(0,\theta)}\widetilde V \biggl(\mp\dfrac{g(w)}{c_0} n(\theta)\biggr)\biggr]\bigg|_{\tau=t/g'(w),w=w^+(d,\theta)} &\textit{при}\ d\leqslant 0, \\ 2^{1/6}(tg_3)^{-2/3}\biggl(\dfrac{c(X^0(t,\theta))\cos\theta_2} {c_0^5|X^0_{\theta_1}(t,\theta) \times X^0_{\theta_2}(t,\theta)|}\biggr)^{1/2}& \\ \qquad\times PT(t,\theta) [\Pi_{N(0,\theta)}\widetilde V(0)]& \textit{при}\ d\geqslant 0, \end{cases} \\ F(z)=\int_0^\infty t \exp\biggl(i\biggl(z t+\frac{t^3}3\biggr)\biggr)\,dt= -i\pi (Ai)'(z)+\pi(Gi)'(z), \\ Ai(z)=\frac{1}{\pi}\int_0^\infty \cos\biggl(\frac{t^3}{3}+zt\biggr)\,dt,\qquad Gi(z)=\frac{1}{\pi}\int_0^\infty \sin \biggl(\frac{t^3}{3}+zt\biggr)\,dt. \end{gathered} \end{equation*} \notag $$

Замечание 1. Если $V(y)$ – вещественно-значная функция, то два слагаемых в этой формуле комплексно сопряжены.

Замечание 2. Если $c(x)=\operatorname{const}$, то эта формула справедлива везде, кроме окрестности начала координат.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика. Электродинамика сплошных сред, Наука, 1982  mathscinet
2. Ю. А. Кравцов, Ю. И. Орлов, Геометрическая оптика неоднородных сред, Наука, М.  mathscinet
3. S. Yu. Dobrokhotov, S. A. Sergeev, “Asymptotics of the solution of the Cauchy problem with localized initial conditions for a wave type equation with time dispersion. I. Basic structures”, Russ. J. Math. Phys., 29:2 (2022), 149–169  crossref  mathscinet
4. С. Ю. Доброхотов, В. Е. Назайкинский, “Проколотые лагранжевы многообразия и асимптотические решения линейных уравнений волн на воде с локализованными начальными условиями”, Матем. заметки, 101:6 (2017), 936–943  mathnet  crossref  mathscinet
5. S. Yu. Dobrokhotov, A. I. Shafarevich, B. Tirozzi, “Localized wave and vortical solutions to linear hyperbolic systems and their application to linear shallow water equations”, Russ. J. Math. Phys., 15:2 (2008), 192–221  mathscinet
6. В. П. Маслов, М. В. Федорюк, Квазиклассическое приближение для уравнений квантовой механики, Наука, М., 1976  mathscinet
7. С. Ю. Доброхотов, В. Е. Назайкинский, А. И. Шафаревич, “Новые интегральные представления канонического оператора Маслова в особых картах”, Изв. РАН. Сер. матем., 81:2 (2017), 53–96  mathnet  crossref  mathscinet
8. S. Yu. Dobrokhotov, V. E. Nazaikinskii, A. A. Tolchennikov, “Uniform formulas for the asymptotic solution of a linear pseudodifferential equation describing water waves generated by a localized source”, Russ. J. Math. Phys., 27:2 (2020), 185–191  crossref  mathscinet
9. В. П. Маслов, Теория возмущений и асимптотические методы, Изд. МГУ, M., 1965  mathscinet
10. V. V. Belov, S. Yu. Dobrokhotov, T. Ya. Tudorovskiy, “Operator separation of variables for adiabatic problems in quantum and wave mechanics”, J. Engrg. Math., 55:1–4 (2006), 183–237  crossref  mathscinet

Образец цитирования: С. Ю. Доброхотов, А. А. Толченников, “Равномерные формулы для асимптотического решения в окрестности переднего фронта для системы Максвелла с локализованными начальными данными и с учетом временной дисперсии”, Матем. заметки, 116:3 (2024), 388–395; Math. Notes, 116:3 (2024), 458–464
Цитирование в формате AMSBIB
\RBibitem{DobTol24}
\by С.~Ю.~Доброхотов, А.~А.~Толченников
\paper Равномерные формулы для асимптотического~решения
в~окрестности переднего фронта для~системы~Максвелла
с~локализованными начальными~данными и с~учетом временной дисперсии
\jour Матем. заметки
\yr 2024
\vol 116
\issue 3
\pages 388--395
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/mzm14415}
\crossref{https://doi.org/10.4213/mzm14415}
\transl
\jour Math. Notes
\yr 2024
\vol 116
\issue 3
\pages 458--464
\crossref{https://doi.org/10.1134/S0001434624090062}
\scopus{https://www.scopus.com/record/display.url?origin=inward&eid=2-s2.0-85213387475}
Образцы ссылок на эту страницу:
  • https://www.mathnet.ru/rus/mzm14415
  • https://doi.org/10.4213/mzm14415
  • https://www.mathnet.ru/rus/mzm/v116/i3/p388
  • Citing articles in Google Scholar: Russian citations, English citations
    Related articles in Google Scholar: Russian articles, English articles
    Математические заметки Mathematical Notes
     
      Обратная связь:
     Пользовательское соглашение  Регистрация посетителей портала  Логотипы © Математический институт им. В. А. Стеклова РАН, 2025